[发明专利]一种石墨烯陶瓷复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯陶瓷复合材料的制备方法。该石墨烯陶瓷复合材料由石墨烯复合微粒与陶瓷基体组成。石墨烯复合微粒嵌在陶瓷基体中，并形成三维导电网络结构。以陶瓷微粒为核心粒子，利用喷雾包衣法制备得到石墨烯复合微粒；将陶瓷粉末、光敏树脂、消泡剂混合制备得到陶瓷浆料；将石墨烯复合微粒在高压无气喷嘴作用下有效嵌入到陶瓷浆料内；重复多层叠加成型，在陶瓷基内构筑了石墨烯三维导电网络；经冻干、脱脂、高温烧结等后处理工艺，得到内嵌有三维石墨烯导电网络的陶瓷复合材料。制备得到的石墨烯陶瓷复合材料在保证具有陶瓷良好的力学性能、良好的导热性、可耐高温等优异性能的同时，赋予其高导电性。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体说的是一种石墨烯陶瓷复合材料的制备方法。

背景技术

陶瓷材料作为一种天然形成或者人工合成的无机非金属材料，具有高熔点、高硬度、耐高温、耐磨性、耐氧化等优良特性，获得广泛应用。然而，随着科学技术的发展和新的工业应用需求不断出现，对陶瓷材料提出多重功能要求，比如，在保证其具有优秀的力学性能同时兼具电、热等功能特性。

石墨烯是一种由sp²杂化的碳原子以六边形周期排列的的二维蜂窝晶格结构，其厚度仅为一个碳原子的直径，作为一种新型的纳米二维材料，石墨烯具有强度高、韧性强、质量小、光学性能好、导电性能优等多个优异性能。近年来，人们一直尝试将石墨烯粉末与陶瓷复合一起，以期把两者优点结合在一起。目前，有三种石墨烯/陶瓷复合材料制备方法：机械混合、异相沉积法、原位生成法。机械混合法是通过球磨将石墨烯的剥离和陶瓷粉末的混合同时进行，该方法的特点是边剥离边混合，既可以实现高质量石墨烯制备，又可实现石墨烯片层与陶瓷粉末的混合，提高了制备效率，但该方法制备过程中石墨烯在一定程度上存在团聚现象，石墨烯在陶瓷基内排列杂乱无章的，对复合材料的导电性产生不利影响；异相沉积法是先分别制备带有相反表面电荷的石墨烯胶体和氧化物陶瓷胶体，再将两种胶体混合，带有相反表面电荷的胶体会相互吸引自动组装并沉降下来形成均一混合粉体，最后通过SPS放电等离子烧结获得高导电率的石墨烯/陶瓷复合材料，该方法有效地将石墨烯厚度控制在3nm以下且分散均匀，但石墨烯的缺陷较多，削弱石墨烯的导电性，且影响陶瓷基体的力学性能的提高；原位生成法是指烧结过程中自发在陶瓷基体中生成石墨烯的方法，但该方法目前仅使用于SiC为基体的复相陶瓷制备，适用范围较局限，且石墨烯的含量难以控制，同时石墨烯在陶瓷基上的生长点难以控制，因此石墨烯无法在陶瓷基内有序排列，构筑三维导电网络，复合材料的导电难以精准调控。

综上所述，现有的石墨烯陶瓷复合材料的制备方法均难以对石墨烯分散范围和分散效果进行精确控制，且无法高效地构筑石墨烯三维导电网络等问题。

发明内容

针对现有的石墨烯陶瓷复合工艺无法精确控制石墨烯分布、无法高效地构筑石墨烯三维导电网络问题，本发明提出一种石墨烯陶瓷复合材料及其制备方法，其发明思想如下：利用高压无气喷嘴将石墨烯复合微粒喷射在含有光敏树脂且流动性良好的陶瓷基体上，通过控制喷射工艺参数可有效控制石墨烯在陶瓷基体内的分散范围、分散效果，并通过三维移动平台在其内部绘制二维图案，光固化成型后到单层石墨烯陶瓷复合材料，经过层层叠加、快速光固化成型，石墨烯在陶瓷基体内高效的构筑三维导电网络，同时，将对陶瓷基体的损伤大大减小，快速制备了一种高导电高强度石墨烯陶瓷复合材料。